四选一数据选择器和基本触发器的设计

四选一数据选择器和基本触发器的设计学生姓名：朱一进指导老师：肖晓丽

摘要系统基于数据选择器及D触发器，JK触发器，T触发器的原理，使用EDA技术在FPGA中设计了四选一数据选择器和基本触发器，采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计，然后进行编程，时序仿真等。在数据选择器中，用拨码开关作四位数据及两位控制端的输入，LED作输出，通过拨码开关组成控制输入端s1和s0不同组合，观察LED与数据输入端a,b,c,d的关系，验证4选一数据选择器设计的正确性，通过VHDL语言实现了本设计的控制功能，按不同的键实现不同的功能，根据数据选择器的特性方程设计输出状态。在基本触发器中通过VHDL语言实现了本设计的控制功能，按不同的键实现不同的功能，根据三钟触发器的特性方程设计输出状态。整个系统结构简单，使用方便，值得推广使用。

关键字FPGA；VHDL；EDA；数据选择器；触发器

目录

1引言 (3)

1.1设计的目的 (3)

1.2设计的基本内容 (3)

1.四选一数据选择器 (3)

2.基本触发器 (4)

2 EDA、VHDL简介 (4)

2.1EDA技术 (4)

2.2硬件描述语言——VHDL (6)

3设计规划过程 (7)

3.1四选一数据选择器的工作原理 (7)

3.2基本触发器器的工作原理 (7)

3.3课程设计中各个模块的设计 (8)

1.数据选择器的设计 (8)

2.基本触发器的设计 (9)

4结束语 (11)

参考文献 (12)

附录 (12)

1 引言

20世纪60年代初，美国德克萨斯仪器公司TI（Texas Instruments）将各种基本逻辑电路以及连线制作在一片体积很小的硅片上，经过封装后提供给用户使用，这就是集成电路。从先前的采用半导体技术实现的计算机到现在广泛应用的采用高集成度芯片实现的计算机。基本门电路和数值比较器作为基本逻辑电路的“细胞”，因而成为深入研究和了解基本逻辑电路的基石。

计算机组成原理与设计是计算机科学与技术专业本科生的必修课程。在完成理论学习和必要的实验后，本科学生掌握了它的基本原理和各种基本功能的应用，但对硬件实际应用设计和其完整的用户程序设计还不清楚，实际动手能力不够，因此对该课程进行一次课程设计是有必要的。

计算机组成原理与设计的课程设计既要让学生巩固课本学到的理论，还要让学生学

习硬件电路设计和用户程序设计，同时学习查阅资料、参考资料的方法。

计算机原理与设计的课程设计主要是通过学生独立设计方案并自己动手用计算机

电路设计软件，编写和调试用户程序，来加深对该课程的认识和理解，充分发挥我们的个体创新能力。

1.1 设计的目的

学习基本触发器的设计，进一步了解VHDL语言。巩固和运用所学课程，理论联系实际，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力，本次设计的目的就是学习基本触发器的设计，了解并掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过对基本触发器的设计，巩固和综合运用所学课程，理论联系实际，提高IC设计能力，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立工作能力。通过课程设计深入理解VHDL语言的精髓，达到课程设计的目标。

1.2 设计的基本内容

本设计主要是利用超高速硬件描述语言VHDL对四选一数据选择器和基本触发器电路进行编程实现。用原理图输入法或VHDL文本输入法设计4选1数据选择器基本触发器电路，建立4选1数据选择器和基本触发器的实验模式。通过电路仿真和硬件验证，进一步了解4选1数据选择器和基本触发器的功能。

1.四选一数据选择器

用拨码开关作四位数据及两位控制端的输入，LED作输出，通过拨码开关组成控制输入端s1和s0不同组合，观察LED与数据输入端a,b,c,d的关系，验证4选一数据选择器设计的正确性。

2.基本触发器

先按键选择一种触发器(按键0--2分别代表D,JK,T触发器)，再拨动拨码开关（SW0为D触发器输入,SW1,SW2为JK触发器输入,SW3为T触发器输入），观察验证小LED 上显示的结果。

2 EDA、VHDL简介

2.1 EDA技术

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力地发展和社会信息化程度地提高，同时也使现代电子产品性能进一步地提高，产品更新换代的节奏也越来越快。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设可阶计发展起来的。回顾近30年电子设计技术的发展历程，将EDA技术由浅到深分为CAD阶段、CAE阶段、ESDA段这3个阶段：(1) CAD 阶段。20世纪70年代，随着中小规模集成电路的开发应用，传统的手工制图设计印刷电路板和集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，因此工程师们开始进行二维平面图形的计算机辅助设计，以便解脱繁杂、机械的版图设计工作，这就产生了第1代EDA工具— CAD(计算机辅助设计)。这是EDA发展的初级阶段，其主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线。它可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。这类专用软件大多以微机为工作平台，易于学用，设计中小规模电子系统可靠有效，现仍有很多这类专用软件被广泛应用于工程设计。(2) CAE阶段。20世纪80年代，为适应电子产品在规模和制作上的需要，应运出现了以计算机仿真和自动布线为核心技术的第2代EDA技术，即CAE计算机辅助工程设计阶段。这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计能在产品制作之前预知产品的功能与性能，已经具备了自动布局布线、电路的逻辑仿真、电路分析和测试等功能，其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。与CAD相比，CAE除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，从而实现工程设计。(3) ESDA阶段。20世纪90年代，尽管CAD/CAE 技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用比较困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，EDA技术继续发展，进人了以支持高级语言描述、可进行系统级仿真和综合技术为特征的第3代EDA 技术—ESDA电子系统设计自动化阶段。这一阶段采用一种新的设计概念自顶而下(Top - Down)的设计程式和并行工程(Concurrent Engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所要电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。EDA技术主要是指面向专用集成电路设计的计算机技术，将EDA技术与传统电子设计方法进行比较可以看出，传统的数字系统设计只能在电路板上进行设计，是一种搭积木式的方式，使复杂电路的设计、调试十分困难；如果某一过程存在错误．查找和修改